STORSKALA LASTSTYRING I ET KRAFTSYSTEM Av Thea Ulrikke Øverli (NTNU), Kathrine Wiulsrød Lunder (Hafslund Nett), Silje Hustad Nilsen og Sigrid Flemmen Berg (NTNU) Sammendrag Denne rapporten omhandler hovedfunnene i en bacheloroppgave skrevet av studenter ved NTNU våren 2016 med Statnett som oppdragsgiver. 1. januar 2016 startet Statnett opp FoU-prosjektet «Storskala laststyring» som en oppfølger til et pilotprosjekt i Nord-Norge som testet teknologi til styring av forbrukslast. I FoU-prosjektet ønsker Statnett å få frem et styrbart reservebidrag for å takle kritiske driftssituasjoner i områder med lav reguleringsevne. Bacheloroppgaven tar utgangspunkt i FoU-prosjektet, og undersøker om laststyring kan benyttes som et verktøy til å håndtere vanskelige driftssituasjoner og optimere utnyttelsen av kapasiteten i det eksisterende kraftnettet. 1. INNLEDNING Kraftsystemet er inne i en digitaliseringsfase. Internett, informasjonsteknologi og kraftnett smelter sammen til et smartere kraftsystem. Med innføringen av toveiskommunikasjon, smartere styresystemer og sensorteknologi vil kraftsystemet kunne driftes mer robust og effektivt. Fremtidens kraftsystem innebærer en økende andel uforutsigbar kraftproduksjon, og det er behov for smartere måter å utnytte kraftsystemet på. I situasjoner hvor det er vanskelig å regulere produksjonen, vil det bli nødvendig å regulere forbruket. Det kommer nye Network Codes fra ENTSO-E som krever tilrettelegging for fleksibelt forbruk, noe som innebærer at forbruk skal likestilles med produksjon ved kjøp av systemtjenester. Som et resultat av dette undersøker Statnett nå hvordan forbrukerfleksibilitet kan utnyttes til balansering og løse utfordringer knyttet til vanskelige driftssituasjoner og anstrengt kapasitet. Forbrukerfleksibilitet kan bli et nyttig verktøy i fremtiden, hvor sluttbrukers eget forbruk kan benyttes til regulering av kraft for frekvensregulering, å håndtere vanskelige situasjoner i nettet eller til å utnytte den eksisterende kapasiteten i kraftnettet mer effektivt, noe som kan spare netteier for investeringer.
I følge NVE møtes i dag behovet for økt nettkapasitet hovedsakelig gjennom utbygging av nett, selv om kapasiteten kun er anstrengt et fåtall timer i året [1]. Utbygging er både kostbart og tidkrevende, og det er hensiktsmessig om netteier kan unngå utbyggelser ved å drifte kraftnettet smartere. I deler av kraftnettet utfordres tidvis forsyningssikkerheten fordi effektuttaket er så høyt at det blir utfordrende å opprettholde N-1-kriteriet. Ved drift i N-1 skal kraftnettet tåle utfall av en enkeltkomponent uten at det medfører avbrudd [2]. I slike driftssituasjoner er det gunstig om systemoperatør kan flytte deler av forbruket til et senere tidspunkt. 2. LASTSTYRING Hverdagen til forbrukere digitaliseres mer og mer. Med Internet of Things er vanlige applikasjoner i ferd med å bli smarte, hvor forbruker kan styre de fleste apparater i hjemmet gjennom for eksempel smarttelefonen. Ved installasjon av smarte målere vil forbrukerne kunne koble apparater opp mot måleren som kan styre lavt prioritert last etter strømprisene for å hindre høyt forbruk i dyre perioder. Statnett undersøker muligheten til å benytte AMS-målernes toveiskommunikasjon i sine systemer, da de ved tillatelse fra lasteier kan styre laster eksternt. Ved å montere laststyringsutstyr ved måleren kan det sendes signaler som i tilnærmet sanntid forteller hvilke laster som er tilgjengelige for laststyring, og hvor stort utkoblingspotensialet er. Statnett kan med dette koble ut eller inn forbruk etter behov. Lastene som benyttes må være fleksible og av lav prioritet, som vil si at lastens brukstid kan flyttes til et senere tidspunkt uten at det vil påvirke forbrukerne i særlig grad. Laststyring skal i utgangspunktet kun benyttes når alternativet er fare for mørklegging, og ikke til daglig drift av kraftsystemet. Statnett har allerede avtaler med store laster som er tilgjengelig for utkobling, men disse er få, og krever manuell styring gjennom flere ledd. Disse lastene har høy installert effekt, og er som oftest lokalisert i industri, men ikke nødvendigvis i utsatte områder. Med AMS-teknologi kan lastene kobles ut raskere og mer effektivt. Ved å benytte flere laster med en lavere installert effekt får Statnett tilgang til fleksibilitet i områder hvor nettet er sårbart, og med en bedre geografisk spredning av lastene vil ikke systemoperatør være like avhengig av påliteligheten til hver last. Lastene som i denne sammenhengen er aktuelle for laststyring befinner seg både i offentlige og private virksomheter, som offentlige bygg, kjøpesentre, skoler eller næringsdrivende virksomhet. Det ses bort ifra boliger fordi disse lastene er forholdsvis små, og vil kreve et
større parti laster for å oppnå samme effektkutt som i større virksomheter. Statnett ønsker en distribuert løsning av laststyringen, hvor de lokale nettselskapene overvåker lastene i sine konsesjonsområder. Et alternativ til dette er en aggregatorløsning, hvor en tredjepartsaktør tar ansvar for å samle inn last i de ønskede områdene. En slik løsning er vanskelig i dag, da aggregatorene er pålagt balanseansvar som gjør at det i praksis kun er strømleverandørene som kan selge fleksibilitet på vegne av forbrukere [3]. Kraftnettet driftes sjeldent med direkte overlast, men dersom en komponent skulle falle ut vil de gjenværende komponentene få problemer med kapasiteten. Laststyring kan benyttes for å få kontroll over slike situasjoner, og dermed sørge for at nettet er i en trygg driftssituasjon selv om et utfall skulle forekomme. Dersom laststyring kan benyttes i disse anstrengte timene kan systemoperatør spare penger på utbygning og KILE-kostnader. Lavere investeringsbehov i nettet gir lavere nettleie til forbrukerne på sikt. 2.1 Tilgjengelighet Ikke all last vil være tilgjengelig for laststyring til enhver tid av ulike grunner. Lasttilbydere skal ha mulighet til å gjøre lasten sin utilgjengelig for laststyring dersom tilbyder ikke ønsker at den skal kobles ut. Last som er «armert» er tilgjengelig for utkobling, men dersom forbruker har satt lasten sin i «ikke armert» vil den ikke kunne kobles ut. Lasten kan også være utilgjengelig av andre årsaker. For eksempel kan kommunikasjonen mellom AMS og systemoperatør svikte, og lasten kobles ikke ut ved utsendt kommando. Systemoperatør skal til enhver tid vite hvor mange laster med tilhørende utkoblingspotensial som står i armert før utkobling, og hvor mye som ble koblet ut etter utsendt kommando. Dersom systemoperatør besitter mange nok laster i et område er det ikke farlig om ikke alle lastene kobler ut. Figur 1 viser et eksempel på hvor mye last av det totale utvalget som ved en utkobling kan være både armert og tilgjengelig for utkobling.
2.2 Gjeninnkoblingstopper Figur 1: Tilgjengelighetsmodell Når en gruppe laster har vært utkoblet over tid vil omgivelsene til laster styrt av termostater ha sunket eller økt i temperatur, og det kreves høy effekt for å få temperaturen tilbake til innstilt nivå. For eksempel vil temperaturen i et rom ha sunket etter en time uten romoppvarming. Innkoblingen skaper en høy topp i lastens effektprofil, som kalles gjeninnkoblingstopp. Fenomenet er demonstrert i figur 2, som viser et forsøk med utkobling av romoppvarming i et kontorbygg. Størrelsen på gjeninnkoblingstoppen avhenger av varighet på utkobling og installert effekt på lasten som har vært utkoblet [4]. Som figur 2 viser vil gjeninnkoblingstoppen bli høyere enn effekten før utkobling, noe som kan bli problematisk ved innkobling i anstrengte driftssituasjoner. Laststyring med formål om å opprettholde forsyningen kan gi systemoperatør tid til å rette feil eller å koble om nettet. Dersom situasjonen ble berget av laststyring, vil det som regel også være mulig å håndtere gjeninnkoblingstopper.
Figur 2: Effektprofil av gjeninnkoblingstopper [4] 3. LASTER 3.1 Lasttyper Hvorvidt et lastobjekt egner seg for utkobling er avhengig av faktorer som tilgjengelighet, konsekvenser og tidskarakteristikker knyttet til utkoblingen. Tilgjengelighet handler i dette tilfellet om lasten er kontinuerlig i bruk eller ikke. Termiske laster er styrt av en termostat, og er ikke i bruk hele døgnet eller sesongen. De er altså ikke tilgjengelige for utkobling når lasten allerede er utkoblet grunnet god nok temperatur. Lys og ventilasjon har som regel et kontinuerlig strømforbruk, og er tilgjengelig for utkobling til enhver tid. I tillegg er det viktig at utkobling av lastene ikke skal gå utover komfort og helse, eller skape økonomisk tap for lasttilbyderen. Målet er at forbrukerne i en så liten grad som mulig påvirkes av en utkobling, og virksomheten kan driftes tilnærmet som før. Hver last vurderes også etter fire tidskarakteristikker; utkoblingstid, innkoblingstid, varighet på utkobling og hviletid før neste utkobling. Disse tidene er viktige for å kategorisere lastene gruppevis, hvor laster
med lik tidskarakteristikk kobles ut sammen. Hver last har en individuell reaksjonstid, som vil si tiden det tar fra ut- og innkoblingens utøvende ordre til koblingen er fysisk utført. På grunn av varierende kommunikasjonsutstyr vil hver last motta styresignalet ved forskjellige tidspunkt. Hvor lenge lasten kan ligge ute varierer for hver lasttype, men også hvilket bygg den er plassert i og byggets bruksmønster. Tidspunktet lasten kan kobles inn igjen må vurderes opp mot gjeninnkoblingseffekten for å unngå at all utkoblet last kobles inn igjen samtidig. Tregheten i reaksjonstiden vil skape en naturlig forskyvning i innkoblingene som reduserer denne effekten noe. Alle aktuelle laster vil ha behov for hviletid etter innkobling før de kan kobles ut igjen. Dette er for å sikre sluttbrukers komfort, og at driften gjenopprettes til normalt nivå før lasten eventuelt kan kobles ut igjen. 3.2 Valg av laster Termiske laster, som oppvarming, egner seg spesielt godt til laststyring da de holder godt på energi, og kan oppføre seg som batterier for lagring av varme. Hvis omgivelsene er godt oppvarmet og lasten har god lagringsevne kan utkoblingen vare lenge uten å påvirke komforten i særlig grad. Bruken av de termiske lastene øker også i vintersesongen, og behovet for effekt er større enn resten av året. Kraftnettet utsettes for større belastning på vinteren grunnet klima og lave temperaturer som kan føre til ising på luftlinjene, som øker behovet for laststyring. Det største potensialet for utkobling ligger i el-kjeler, ventilasjonsanlegg og varmtvannsberedere. Disse eksisterer i de fleste bygg, og har lite utslag på komfort ved utkobling i korte perioder. El-kjeler har det største effektpotensialet, og er ekstra gunstige dersom de har en brenselsreserve som kan benyttes for å opprettholde temperaturen i bygget under utkobling. Ventilasjonsanlegg er veldig fleksible, og gir heller ikke store gjeninnkoblingstopper, sammenlignet med termiske laster. Varmtvannsberedere er en relativt liten effektpost, men har god varmelagringsevne og finnes i store kvantum. Ved lavt forbruk av vann vil ikke en utkobling være særlig merkbar. Alternativet til å ikke kutte forbruket kan i verste fall føre til mørklegging, og forbrukere ser forhåpentligvis på dette som et insentiv til å tilby sin last.
4. AVSLUTNING I Norge er det ikke mangel på energi som utfordrer kraftsystemet, men fordelingen av kraftproduksjon og forbruk i nettet. Kraftnettet har overføringsbegrensninger, og forskjellig plassering av forbruk og produksjon skaper flaskehalser. Ved å benytte laststyring vil netteiere kunne frigjøre kapasitet i utsatte områder under vanskelige driftssituasjoner. Dette kan hindre utfall, som sparer netteieren for kostnader knyttet til ikke levert energi, og kan i beste fall senke behovet for utbygging av kraftnettet. Mindre behov for utbygning vil kunne resultere i lavere nettleie for forbrukerne. Det vil likevel kreve mye tid og penger å etablere en infrastruktur som laststyring krever, og lasttilbydere ønskes primært på frivillig basis. Dette gjør at laststyring egner seg best i områder hvor utfall er vanlig, som gjør at lasttilbyder ser nytten ved å tillate utkoblingsutstyr i sitt anlegg. Fra bacheloroppgaven fremkommer det at lastene som er best egnet for laststyring vil være oppvarming, ventilasjonsanlegg og varmtvannsberedere. De har henholdsvis høyt, middels og lavt utkoblingspotensial. Lastene er tilgjengelige i de fleste tjenesteytende næringer og har lite påvirkning på sluttbruker ved bortfall over en begrenset tid. Varigheten på utkoblingen av disse lastene er god, men vil variere etter byggets infrastruktur og bruksmønster. Laststyring kan gi et sikrere kraftsystem, bedre kontrollmuligheter og en mer optimal utnyttelse av den eksisterende kapasiteten i kraftsystemet. 5. REFERANSER [1] Norges vassdrag- og energidirektorat (2016). Ny teknologi og forbrukerfleksibilitet, https://www.nve.no/elmarkedstilsynet-marked-ogmonopol/sluttbrukermarkedet/ny-teknologi-og-forbrukerfleksibilitet/ (sitert 3. mai 2016). [2] Norges vassdrag- og energidirektorat (2016). Driften av kraftsystemet 2015, http://publikasjoner.nve.no/rapport/2016/rapport2016_56.pdf (sitert 05. februar 2017) [3] Norges vassdrag- og energidirektorat (2015). Forbrukerfleksibilitet og styring av forbruk pågående aktiviteter, http://publikasjoner.nve.no/rapport/2015/rapport2015_07.pdf (sitert 05. februar 2017)
[4] Hansen, R. A., Hveem, P. (2000). Utkoblingspotensiale i boliger og yrkesbygg, Entro Energi AS, Trondheim